《用於微流體環境中超音波基因遞送的MEMS器件研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由尤暉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：用於微流體環境中超音波基因遞送的MEMS器件研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：尤暉
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
將基因從外源導入細胞是生物工程的基本技術。超音波基因遞送因其空化效應機理，有超越其他基因轉移技術的優點，被認作DNA質粒或片段細胞遞送的理想手段。但現有實例都是用傳統超音波設備在巨觀容積下進行，導致後續分析只能得到大量細胞的平均結果，不易解讀也不能滿足精密分析的需求。本項研究把超聲空化引入微流體，提出用一種MEMS超音波器件與微流體管道集成的系統，使超音波基因遞送在微流體規模進行，從而滿足精密分析和單細胞分析的需要。將著重研究超音波空化在微流體中實現並用於基因遞送的關鍵問題包括微流體環境下的局域空化的形成機理和方法、空化效應的因素及控制、微流體條件下的氣泡動力學、與微流體能量匹配的超音波發生器、微管道里超音波的聚焦及對細胞的無傷害控制、微流體條件下的氣泡動力學、微流體細胞輸送與超音波照射的協調操作等。進而研製原理樣機。本項目為將來研製超音波基因遞送和單細胞分析集成的晶片微全分析系統奠定基礎
結題摘要
將基因導入細胞是生物工程的基本技術。超音波基因遞送因其空化效應機理，有超越其他基因轉移技術的優點，被認作DNA 質粒或片段細胞遞送的理想手段。但現有實例都是用傳統超音波設備在巨觀容積下進行，導致後續分析只能得到大量細胞的平均結果，不易解讀也不能滿足精密分析的需求。本項研究把超聲空化引入微流體，提出用一種MEMS 超音波器件與微流體管道集成的系統，使超音波細胞導入在微流體規模進行，從而滿足精密分析和單細胞分析的需要。著重研究超音波空化在微流體中實現並用於細胞導入的關鍵問題，為將來研製超音波基因遞送和單細胞分析集成的晶片奠定基礎。這種晶片有望套用於癌症早期診斷和癌症治療效果檢測。 本項目取得如下主要成果： 1基於氣泡動力學理論，用數值仿真方法分析了微流體環境下的局域空化的關鍵影響因素； 2基於勢流理論，建立了微管道中的超聲等源激勵空化模型，並數值模擬了超聲空化的氣泡瞬態過程，結果與國外刊物上的高速攝影照片一致。 3利用壓電－聲－液耦合有限元仿真證明了本項目的可行性，並最佳化了設計； 4研製出與微流體能量匹配、具有自聚焦功能的MEMS超音波換能器，並得到如下MEMS工藝研究成果：（i）研發了精密鋼球軟壓印工藝，解決了跨尺度曲面微結構的製作難題，制出具有微米級特徵、總體尺寸超大、表面光滑的碗形微結構；（ii）用正交實驗法，得到磁控濺射製備ZnO壓電薄膜工藝的最佳工藝參數組合，製備1.97μm的ZnO薄膜的晶粒大小為22nm，壓電係數為228.79 pm/mv，達到國外文獻報導的水平。（iii）在柔性基底上製作出4微米厚的碗形壓電薄膜（包括上下電極），成功制出MEMS自聚焦壓電薄膜超音波換能器陣列，其諧振頻率為5MHz，且Q值較高。該成果為自主創新，文獻調研未發現類似成果，已申請發明專利。 5MEMS聚焦超音波換能器陣列與微管道集成，製成細胞導入微流體系統原理樣機； 6用三種聲化學方法碘釋放法，螢光法，電導率法等對聚焦超聲換能器產生的空化效應進行了檢測，檢測結果基本一致； 7提出了一種基於單光子探測技術的光電非接觸式探測方法，研發了專門的測量設備和軟體，可對局域超聲空化進行線上檢測。 8用1-3 MHz超音波實現了細胞的聲穿孔，並研發了檢測細胞穿孔率和存活率的方法 9實現了在微流體規模進行超音波細胞導入的課題目標，實驗結果證實該系統具有一定的聲穿孔成功率和細胞存活率。
